高純鍺探測(cè)器課件

1、高純鍺探測(cè)器與其他探測(cè)器第四節(jié)：高純鍺探測(cè)器1.高純鍺探測(cè)器的結(jié)構(gòu)2.同軸型高純鍺探測(cè)器的電場(chǎng)和電容3.高純鍺探測(cè)器的主要性能由于一般半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)濃度和外加高壓的限制，耗盡層厚度為12mm。 對(duì)強(qiáng)穿透能力的輻射而言，探測(cè)效率受很大的局限。由此而研發(fā)的一種耗盡層厚度較大，雜質(zhì)濃度低，電阻率極大的半導(dǎo)體探測(cè)器。其基底為高純度的鍺，稱之為高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器。什么是高純鍺探測(cè)器？4.1高純鍺探測(cè)器的結(jié)構(gòu)高純鍺探測(cè)器的結(jié)構(gòu)主要有兩種：平面型同軸型1）平面型高純鍺探測(cè)器其工作原理與結(jié)構(gòu)與PN節(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器區(qū)別不大，但體積較小，且厚度為5mm-10mm，常用于低能或X射線的探測(cè)以及高能的帶電粒子的測(cè)量。

2、其工作時(shí)需要注意兩點(diǎn)：1.要求其工作在全耗盡狀態(tài)2.要求在液氮溫度下使用（77K）高純鍺探測(cè)器禁帶寬度只有0.7 eV左右，保證Ge晶體工作于半導(dǎo)體狀態(tài)，并防止電子因?yàn)闇囟茸约ぐl(fā)帶來顯著噪聲。另外整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)中的前置放大器通常與探測(cè)器安裝在一起，前置放大器中的第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）也被冷卻至接近77 K 的溫度，目的是為了減少FET噪音。因此如果溫度升高（但在可接受范圍內(nèi)），可能觀察到探測(cè)器漏電流的顯著升高，探測(cè)器漏電流會(huì)使spectrum中低于30 keV 的區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)顯著噪音信號(hào)，漏電流的變化可使能量分辨率惡化。2）同軸型高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器同軸型的特點(diǎn)：由于鍺晶體沿著軸向可以做的很長

3、，因此軸向探測(cè)器的有效探測(cè)長度以及靈敏體積可以做得很大（可達(dá)400cm3），從而可以用來測(cè)量穿透能力強(qiáng)的高能射線（10Mev的射線）。同軸型高純鍺探測(cè)器結(jié)構(gòu)P型HPGe本征區(qū)N層探測(cè)器外加電壓同軸高純鍺可以是P型（常規(guī)型）也可以是N型（倒置型）Ge,其外加電壓有所不同。P型HPGe本征區(qū)N層關(guān)于探測(cè)器的引出電極通常采用外表面接法，這樣隨著外加電壓的增大耗盡層將由外表面向里擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到耗盡電壓時(shí)耗盡層剛好到達(dá)內(nèi)表面。由于電極附近的場(chǎng)強(qiáng)較大，因此有利于載流子的收集，對(duì)P型HPGe,外表面為n+接觸，通常采用Li作為外表面，厚度為600um左右，外加電壓采用外接法，對(duì)N型HPGe則正好相反，外表面為

4、P+接觸，施加電壓為倒置電壓。4.2同軸型高純鍺探測(cè)器的電場(chǎng)和電容22d()1(r)Vrd Vd rrd r 222121(/4 )()( )2ln()eNaVeNarrE rrrrr在柱坐標(biāo)中，泊松方程可以轉(zhuǎn)化為如下形式：這里考慮雙端同軸型，設(shè)內(nèi)外徑分別為r1,r2，設(shè)外加電壓為VB，即V（r2）-V（r1）=VB安此邊界條件可求出：1）電場(chǎng)：2直角坐標(biāo)柱坐標(biāo)22d()1(r)Vrd Vd rrd r 積分形式:lSl dEqSdD0 靜電場(chǎng)的基本方程靜電場(chǎng)的基本方程微分形式：0EDzayaxazyx電勢(shì)的泊松方程電勢(shì)的泊松方程電勢(shì)的泊松方程 D2EEDE2電位電位?滿足的泊松方程滿足的泊松

5、方程2222222zyxzayaxazayaxazyxzyx柱坐標(biāo)中，電勢(shì)的泊松方程2222222zyx直角坐標(biāo)22222211zrrrrr柱坐標(biāo)222d()1(r)Vrd Vd rrd r 2）電容：對(duì)于圓柱體由高斯公式可知QdsEsrKE2由此可得到電勢(shì)從而有圓柱形HPGe的電容1212ln2ln2rrLQrrQLUQC12122121ln2ln22rrLQrrKdrrKdrEUrrrr4.3高純鍺探測(cè)器的主要性能3.1能量分辨能量分辨率率3.5中子輻中子輻照照3.2探測(cè)效探測(cè)效率率3.4電荷收集和電荷收集和時(shí)間特性時(shí)間特性3.3峰康比峰康比與與峰形狀峰形狀4.3.1能量分辨率影響分辨影響

6、分辨率的因素率的因素射線產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的漲落射線產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的漲落電子空穴對(duì)的俘獲電子空穴對(duì)的俘獲探測(cè)器及儀器的電子學(xué)噪聲探測(cè)器及儀器的電子學(xué)噪聲工作溫度工作溫度232221EEEE 為載流子數(shù)的漲落EFE36. 21)(36. 22ENCE 為漏電流和噪聲 3E 為載流子由于陷阱效應(yīng)帶來的漲落，通過適當(dāng)提高偏置電壓減小 總能量分辨率4.3.1能量分辨率4.3.2探測(cè)效率探測(cè)效率的探測(cè)效率的影響因素影響因素探測(cè)器的靈敏體積探測(cè)器的靈敏體積幾何形狀幾何形狀臨近探測(cè)器的物質(zhì)臨近探測(cè)器的物質(zhì)射線的能量射線的能量這里僅討論了射線與特征x射線的探測(cè)效率4.3.2探測(cè)效率（2）相對(duì)效率（1）絕對(duì)全能

7、峰探測(cè)效率 p絕對(duì)全能峰探測(cè)效率pp=放射源發(fā)出的射線數(shù)目全能峰計(jì)數(shù)全能峰全能峰光電效應(yīng)所有的累計(jì)效應(yīng)光電效應(yīng)所有的累計(jì)效應(yīng)p是射線能量的函數(shù)，因此想要高的探測(cè)效率需要使入射的射線全部沉積在靈敏體積當(dāng)中通常需要知道p-E的關(guān)系曲線，一般采用刻度法。左圖為HPGe和Ge(Li)探測(cè)器的效率刻度曲線，是用能量和各能量射線分支比已知的放射源進(jìn)行刻度的，可以看到在能量為200keV-3MeV之間相對(duì)效率與射線能量之間的關(guān)系近似為一條直線。在這個(gè)能量區(qū)間的探測(cè)效率相對(duì)來說可以準(zhǔn)確的獲得。射線的能量有關(guān)與HPGe的靈敏體積有關(guān)源與探測(cè)器的距離有關(guān)pp有關(guān)的因素相對(duì)探測(cè)效率相對(duì)效率=BAB=Co(60)1.

8、33MeVgamma射線在NaI（?7.62cm7.62cm）閃爍體探測(cè)器中光電峰面積A=Co(60)1.33MeVgamma射線在HPGe靈敏體積中的光電峰面積由于相對(duì)效率與光電峰的面積有關(guān)，而光電峰與靈敏體積有關(guān)，因此，體積越大效率會(huì)增加，其間的關(guān)系（相對(duì)于1.33MeV）可表示為如下公式相對(duì)效率（%）=3.43cm體積4.3.3峰康比與峰形狀康普頓平臺(tái)的峰值康普頓平臺(tái)的峰值全能峰的峰值全能峰的峰值 P峰康比：峰康比：hv全能峰全能峰( (光電峰光電峰) )EdEdN多次多次Compton散射散射單逃逸峰單逃逸峰雙逃逸峰雙逃逸峰提高峰康比的方法：增大靈敏體積；選著好的幾何形狀（軸長等于直徑

9、，中心孔盡量?。?；高的能量分辨率；相對(duì)效率為10%到100%的同軸型HPGe峰康比約為40:1到80:1低能射線的全能峰低能射線的全能峰一種一種HPGe反康普頓反康普頓 譜儀譜儀反符合屏蔽與康普頓抑制低本底HPGe譜儀用用HPGe反康反康普頓普頓 探測(cè)器探測(cè)器測(cè)得的測(cè)得的60Co 能譜能譜4.3.4電荷收集和時(shí)間特性1）輸出回路：由于HPGe探測(cè)器也是半導(dǎo)體探測(cè)器，因此其輸出回路，輸出信號(hào)與其他半導(dǎo)體探測(cè)器基本一致C LR測(cè)量?jī)x器 R C考慮結(jié)電阻Rd和結(jié)電容Cd，結(jié)區(qū)外半導(dǎo)體電阻和電容RS，CS，并把探測(cè)器等效成一個(gè)人電流源，從而得到如下等效電路圖2）電荷的收集 當(dāng)當(dāng) R0(Cd+Ca) t

10、c ( tc為載流子收集時(shí)為載流子收集時(shí)間間 )時(shí)，為時(shí)，為：但是，由于輸出電壓脈沖幅度h與結(jié)電容Cd有關(guān)，而結(jié)電容 隨偏壓而變化，因此當(dāng)所加偏壓不穩(wěn)定時(shí)，將會(huì)使 h 發(fā)生附加的漲落， 不利于能譜的測(cè)量；為解決該矛盾，PN結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器通常不用電壓型或電流型前置放大器，而是采用電荷靈敏前置放大器。電荷靈敏放大器的輸入電容極大，可以保證 C入 Cd ，而 C入是十分穩(wěn)定的，從而大大減小了Cd變化的影響。輸出回路的時(shí)間常數(shù)為：0=RfCf則h只與反饋電容有關(guān)，保證了在偏壓不穩(wěn)定時(shí)h不發(fā)生漲落電荷靈敏放大器dRfCdCrCUSCUD0ACr是放大器的輸入電容和分布電容之和。Cf為反饋電容。如將反饋回

11、路的電容等效到輸入端，則輸入端的總電容為frdCACC01當(dāng)半導(dǎo)體探測(cè)器輸出電荷時(shí)，在放大器輸入端形成的信號(hào)電壓為frdsrCACCQU01如果滿足條件A01,rdfCCCA01fsrCAQU0則由此可見，只要滿足上述條件，電荷靈敏放大器的輸出信號(hào)幅度h就僅與探測(cè)器輸出的電荷Q成正比，而與探測(cè)器的結(jié)電容Cd和放大器的輸入電容Cr無關(guān)，保證了輸出信號(hào)的穩(wěn)定性3) 載流子收集時(shí)間脈沖前沿從粒子入射至全部載流子被收集(tc) 由于在邊界，電場(chǎng)強(qiáng)度趨于0，定義載流子掃過 x0.99W 的距離的時(shí)間為載流子收集時(shí)間：4.3.5中子輻照損傷中子輻照損傷的機(jī)理：當(dāng)一定能量的中子射入HPGe探測(cè)器靈敏體積時(shí)會(huì)

12、引起晶格的缺陷，錯(cuò)位等，從而影響到探測(cè)器的能量分辨率。閾注量：能量分辨率開始出現(xiàn)變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的中子注量。閾注量與探測(cè)器的尺寸有關(guān)，尺寸越大，閾注量約低。閾注量還與探測(cè)器的類型有關(guān)，下表給出了幾種探測(cè)器的閾注量第五節(jié)：其他探測(cè)器1.鋰漂移硅探測(cè)器鋰漂移硅探測(cè)器2.化合物半導(dǎo)體探測(cè)器化合物半導(dǎo)體探測(cè)器3.位置靈敏探測(cè)器位置靈敏探測(cè)器5.1鋰漂移鋰漂移硅探測(cè)器硅探測(cè)器5.1.1 5.1.1 鋰的漂移特性及鋰的漂移特性及P-I-N結(jié)結(jié)1) 間隙型雜質(zhì)LiLi電離能很小 0.033eV，常溫下由于熱運(yùn)動(dòng)即可電離，Li電離成Li，為施主雜質(zhì)，在Li端形成N區(qū)，之后Li在電場(chǎng)作用下的漂移，其過程如下：Li漂

13、移速度ETdtdW)( 當(dāng)溫度T 增大時(shí)，(T)增大，Li+漂移速度增大。Li在電場(chǎng)作用下的漂移Li的半徑比Si和Ge半導(dǎo)體晶格間距小得多在電場(chǎng)作用下，Li可以很容易穿過Si和Ge半導(dǎo)體晶格，漂移深入半導(dǎo)體內(nèi)部Li會(huì)和半導(dǎo)體材料中的B-中和Li 的補(bǔ)償作用，提高了電阻率，增大了結(jié)區(qū)2) P-I-N結(jié)的形成 基體用P型半導(dǎo)體(因?yàn)闃O高純度的材料多是P型的)，例如摻硼的Si或Ge單晶。(1) 一端表面蒸Li，Li離子化為Li+,形成PN結(jié)。(2) 另一端表面蒸金屬，引出電極。 外加電場(chǎng)，使外加電場(chǎng)，使Li+漂移。漂移。Li+與受主雜質(zhì)與受主雜質(zhì)(如如B-)中和，并可實(shí)現(xiàn)中和，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償自動(dòng)補(bǔ)

14、償形成形成 。(3) 形成形成結(jié)，未漂移補(bǔ)償區(qū)仍為結(jié)，未漂移補(bǔ)償區(qū)仍為P，引出電極。，引出電極。PN+Intrinsic SemiFront metallizationOhmic back contactTo positive bias voltage 由硅作為基體的探測(cè)器稱為Si(Li)探測(cè)器，由鍺作為基體的探測(cè)器稱為Ge(Li)探測(cè)器。鋰離子是用于漂移成探測(cè)器的唯一的離子。5.1.2 5.1.2 鋰漂移探測(cè)器的工作原理鋰漂移探測(cè)器的工作原理1) 空間電荷分布、電場(chǎng)分布及電位分布I區(qū)為完全補(bǔ)償區(qū)，呈電中性為均勻電場(chǎng)；I區(qū)為耗盡層，電阻率可達(dá)1010cm；I區(qū)厚度可達(dá)1020mm，為靈敏體積。

15、雜質(zhì)濃度電荷分布電位電場(chǎng)平面型的靈敏區(qū)電場(chǎng)均勻分布同軸型的電場(chǎng)非均勻分布靈敏區(qū)的電場(chǎng)0( )E xdVd為靈敏區(qū)厚度V0為偏置電壓021( )lnE rrVrr式中r1和r2分別為未補(bǔ)償?shù)腜芯半徑r為靈敏區(qū)半徑平面型：)(41031120FdsCd211021()2ln310dlFCrr靈敏區(qū)的電容同軸型：式中l(wèi)為靈敏區(qū)的長度輸出脈沖輸出脈沖類似于電離室平面型：)()(0tdCetVwwNheCeNV0maxrrVrrtNVrwrrwrrrNhheCettCetV12022max0max0000120ln2)ln()ln(ln)(12同軸型： 前面討論的半導(dǎo)體能量分辨率也適用于Si（Li）探測(cè)

16、器，5.1.35.1.3能量分辨率能量分辨率 （1）Si（Li）探測(cè)器常用于測(cè)量低能和x射線能譜。影響Si（Li）探測(cè)器的能量分辨率的因素主要有窗厚，死層，因此應(yīng)盡量減小窗的影響。（2）Si（Li）探測(cè)器的靈敏區(qū)相當(dāng)后（5-10mm），常溫下暗電流的漲落將不容忽視，因此必須在液氮溫度（77K）下工作。5.2化合物半導(dǎo)體探測(cè)器化合物半導(dǎo)體探測(cè)器why化合物半導(dǎo)體探測(cè)器？化合物半導(dǎo)體探測(cè)器？為了解決傳統(tǒng)硅探測(cè)器對(duì)低能射線和X射線探測(cè)效率低，鍺探測(cè)器需工作在液氮溫度下等問題而開發(fā)的一些化合物半導(dǎo)體探測(cè)器。目前主要有這三類化合物探測(cè)器：目前主要有這三類化合物探測(cè)器：碲化鎘碲化鎘 (CdTe) 碲鋅鎘碲

17、鋅鎘 (CdZnTe) 碘化汞碘化汞 (HgI2) CdTe, CdZnTe, HgI2 的特性參數(shù)這三類探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)市場(chǎng)上已在銷售這三種材料制成的市場(chǎng)上已在銷售這三種材料制成的探測(cè)器，譜儀，探測(cè)器，譜儀， 成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)。85%的的100keV光子被完全吸收：光子被完全吸收：1mm厚的厚的HgI2,2.6mm厚的厚的CdTe,10mm厚的厚的Ge 高探測(cè)效率高探測(cè)效率(高高Z，高密度），高密度）， CdTe 的光電幾率是的光電幾率是Ge 45倍倍, HgI2 為為 50倍倍 室溫操作（高帶寬）室溫操作（高帶寬） 高電阻率高電阻率 小的探測(cè)器體積小的探測(cè)器體積43/895.2.1碲化鎘碲化

18、鎘 (CdTe) 2）性能：與硅(ZSi=14)和鍺(ZGe=32)相比，CdTe的原子序數(shù)(ZCd=48,ZTe=52)大，密度高(=583gcm3)，所以它對(duì)x射線、射線的阻止能力高，吸收能力強(qiáng)，本征探測(cè)效率就高，能量分辨率相對(duì)也較好。1）原理：與其它半導(dǎo)體探測(cè)器的探測(cè)原理一樣，CdTe探測(cè)器也是依靠加在探測(cè)器兩端的電壓(偏壓)將入射光子與CdTe發(fā)生相互作用產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)進(jìn)行收集而產(chǎn)生電離電流I(t)信號(hào)，將這個(gè)電離電流信號(hào)通過電荷靈敏前置放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。3）應(yīng)用：應(yīng)用于核工業(yè)中的厚度計(jì)，用探測(cè)器整列構(gòu)成醫(yī)用成像系統(tǒng)等16 x 16 pixels CdTe Crystal. 1

19、mm pixel pitch. For use in CT.3）應(yīng)用：應(yīng)用于核工業(yè)中的厚度計(jì)，用探測(cè)器整列構(gòu)成醫(yī)用成像系統(tǒng)，核探針等4 x (4 x 16 pixel) CdTe crystals assembled to pcb for use in bone densiometry system.5.2.2碘化汞碘化汞 (HgI2) 62 , 密度6. 40 g /cm3 ), 對(duì)X 和射線具有較高的阻止本領(lǐng), 同時(shí)由于禁帶寬度(Eg =2. 13 eV)較大, 電阻率高, 工作時(shí)漏電流較小, 用它可以制備體積小, 重量輕, 室溫下使用的射線和X 射線探測(cè)。1）原理：HgI2 探測(cè)器的工作

20、原理與其他半導(dǎo)體探測(cè)器相似。 2）性能：HgI2是直接躍遷寬帶隙的- 族化合物半導(dǎo)體, 是優(yōu)異的光電導(dǎo)材料。由于它具有較大的平均原子序數(shù)(有效原子序數(shù) 2）性能：V-I曲線:右圖為晶面面積S=12 mm2，厚度L = 0.5mm的HgI2 探測(cè)器在T=295 K 時(shí)的V-I曲線。由圖可知HgI2 探測(cè)器的漏電流在常溫下較小能譜特性：從圖中看出(a)圖譜線分辨率明顯比(b)圖好, 這是因?yàn)镠gI2中電子和空穴的遷移率e 、h分別為100cm2/VS，4cm2/VS他們被電極收集的效率不同，空穴的收集率低一些，因此選著負(fù)極作為入射面，這樣可以減小半高寬，提高分辨率HgI2探測(cè)器測(cè)得的Cd(109)

21、譜(a)射線從負(fù)接觸面人射(b)射線從正接觸面人射3）應(yīng)用：HgI2主要用于室溫下使用的射線和X 射線探測(cè)，也可以用于測(cè)量高能帶電粒子。HgI2晶體5.3位置靈敏探測(cè)器位置靈敏探測(cè)器什么是位置靈敏探測(cè)器？能夠同時(shí)探測(cè)入射粒子能量與位置的半導(dǎo)體探測(cè)器（由于射線在半導(dǎo)體中的電離密度要比空氣中高出約三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此通常采用半導(dǎo)體材料做成位置靈敏探測(cè)器）5.3.1位置靈敏探測(cè)器基本原理（a）半導(dǎo)體位置靈敏探測(cè)器示意圖圖（a）為一簡(jiǎn)單的位置靈敏探測(cè)器示意圖，入射粒子進(jìn)入入射面后將探測(cè)器分成兩部分，（1）入射粒子到A端；（2）入射粒子到B端；由B端引出的信號(hào)將反應(yīng)出粒子位置的信息5.3.1位置靈敏探測(cè)器基本原理0baaIRRRIbB端引出的電流為：ERRRVpbaabaalllRRRbaaElllVbaapD端引出的電壓為：又電阻與導(dǎo)線長度成正比：所以D端的幅度為：5.3.2硅微條二維位置靈敏探測(cè)器組成結(jié)構(gòu)：利用離子注入或是光刻技術(shù)在硅片表面形成一系列彼此平行的窄帶電極，上下兩面電極相互平行。X，Y方面的位置信號(hào)各通過一組彼此獨(dú)立的外接電阻